JPH056549Y2 - - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 ＜産業上の利用分野＞ 本考案は、超音波パルスを測定面に放射し、そ
の反射波を受波しその超音波パルスの往復時間か
ら測定面までの距離を測定する超音波測距装置に
係り、特にその送受波器の送信および受信の効率
を改善した超音波測距装置に関する。

＜従来の技術＞ 従来の超音波測距装置は、駆動回路からの駆動
電圧により送受波器から超音波パルスを測定面に
放射し、その測定面からの反射パルスを送受波器
を介して受信回路で受波してこれらのパルスの往
復時間から測定面までの距離を測定している。

この場合、送受波器には並列にインダクダンス
を接続して駆動回路からみた出力インピーダンス
を等価的に抵抗成分として駆動回路から無効電力
が送出されないようにして効率をあげている。

＜考案が解決しようとする問題点＞ しかしながら、この様な超音波測距装置におい
ては空気が媒体で例えば40KHzの超音波では超
音波パルスの大きさは測定距離の1.6〜２乗に反
比例して減衰し、また反射面の状態により反射パ
ルスの大きさも大きく異なる。例えば、水面に気
泡が発生すると反射率は1/10ぐらいに低下するの
で送出する超音波パルスの波高値を大きくして受
信電圧を確保している。

しかしながら、例えば２線を介して電流の供給
を受けこの電流による電力でレベル変換回路の電
力を全てまかなういわゆる２線式レベル計などで
は使用できる電力が制限されるので超音波パルス
の波高値を大きくするに際しても限度がある。

＜問題点を解決するための手段＞ そこで、駆動回路から送受波器の送出する際の
効率を上げる必要がある。

駆動電圧を上げずに、送出する超音波パルスを
大きくするためには駆動回路と送受波器とのイン
ピーダンスをマツチングさせる必要がある。第７
図にその回路構成を示す。

第７図イの場合は、駆動回路１０の駆動電圧
V_sが抵抗R₁とコンデンサＣの並列回路で表され
た送受波器１１にスイツチSW₁とインダクダンス
１２を介して印加されている。

この様な構成により、送受波器１１のコンデン
サＣ部分をインダクダンス１２で打ち消して純粋
の抵抗だけとし、しかもこの値を駆動電圧V_Sを
供給する駆動回路１０の出力インピーダンスに等
しくしてインピーダンスマツチングをとる。この
ようにして送受波器１１のコンデンサＣの部分を
除くことにより無効電力を除くことが出来るの
で、駆動回路の電力負担が低減できるのである。

例えば、Ｃ＝1.1nF、R₁＝50KΩの送受波器１
１において固有振動周波数が40KHzの場合を考
えると、インダクダンス１２がＬ＝14mHで共振
し、このとき等価インピーダンスはR₀＝ｌ／CR₁
＝255Ωとなつて等価的に送受波器１１の入力イ
ンピーダンスが小さくなり、送受波器１１への電
力供給が容易になる。

一方、第７図ロの場合はインダクタンス１３を
送受波器１１に並列に接続し、これに駆動電圧を
スイツチSW₁を介して供給したときを示してい
る。

この場合はイと同じ様にして共振時の等価イン
ピーダンスを計算すると50KΩとなり高い等価イ
ンピーダンスを示す。

したがつて、駆動回路１０から送受波器１１を
駆動かる場合には第７図のイの回路構成のほうが
良いことがわかる。

第８図は送受波器からの受信信号を受信する場
合の等価回路を示している。

第８図イは第７図イに対応する受信時の等価回
路、第８図ロは第７図ロに対応する受信時の等価
回路をそれぞれ示す。

第８図イにおける電圧Vr′は送受波器１１にお
いて反射パルスを受信したときに発生する電圧で
あり、受信回路での受信電圧VrはVr′／ω₀C₀×
１／（R₁＋１／ω₀C₀）に減衰する。例えば、C₀
＝1.1nF、R₁＝50KΩ、ω＝2πf＝２×40KHzとす
ると、Vr＝0.07Vr′となり1/10以下に減衰する。

一方、第８図ロのように構成すると、Vr＝
Vr′となり受信効率がよくなる。

そこで、これらの点を考慮して本考案は、測定
面に超音波パルスを送出し先の測定面から反射す
る反射パルスを受信する送受波器と、この送受波
器に駆動電圧を供給する駆動回路と、先の送受波
器に並列に接続されこの送受波器で受けた先の反
射パルスに対応した受信信号を受信する受信回路
と、先の駆動回路と先の送受波器との間に第１ス
イツチを介して直列に接続されたインダクタンス
と、先のインダクタンスと先の送受波器の直列回
路に並列に挿入された第２スイツチと、先の送受
波器から超音波パルスを送出する際には先の第１
スイツチをオン先の第２スイツチをオフとし先の
受信信号を受信する際には先の第１スイツチをオ
フ先の第２スイツチをオンとするとスイツチ駆動
回路を具備するようにしたものである。

＜実施例＞ 以下、本考案の実施例について図面に基づいて
説明する。第１図は本考案の原理を示すブロツク
図である。なお、第７図、第８図に示す部分と同
じ機能を持つ部分には同一の記号を付して適宜に
その説明を省略する。

駆動回路１０の駆動電圧V_SはスイツチSW₁、
インダクタンス１２、および送受波器１１で構成
された直列回路に印加されている。また、駆動回
路１０と送受波器１１との間にスイツチSW₁を介
して直列にインダクタンス１２が接続され、イン
ダクタンス１２と送受波器１１の直列回路には並
列にスイツチSW₂が接続されている。

更に、抵抗R₂と互いに逆方向に接続されたダ
イオードD₁，D₂との直列回路が送受波器１１の
両端に接続されている。ダイオードD₁，D₂の両
端は受信回路１４の入力端に接続されている。ス
イツチSW₁とSW₂はそれぞれスイツチ駆動回路１
５により開閉される。

以上の構成についてその動作を第２図を用いて
説明する。

駆動回路１０から駆動電圧V_Sを送出するとき
には、スイツチSW_Sをオン（第２図イ）、スイツ
チSW_Sをオフ（第２図ロ）として送受波器１１に
駆動電圧V_Sを供給する。

このときには、駆動電圧V_Sが大きいのでダイ
オードD₁，D₂でこれらが短絡されて受信回路１
４には駆動電圧V_Sは入力されない。

一方、送受波器１１から超音波パルスを送出し
て測定面で反射した反射パルスは送受波器１１で
受信される。このときはスイツチ駆動回路１５に
よりスイツチSW₁はオフ（第２図イ）、スイツチ
SW₂はオン（第２図ロ）となる。この場合に、送
受波器１１で受信される電圧は小さな値であるの
で、ダイオードD₁，D₂は短絡されず、受信回路
１４で受信される。

以上の点について、第７図ロに示す従来の駆動
回路で駆動した場合と比較して説明する。

まず、C₀＝1.1nF、Ｌ＝14mH、R₁＝50KΩと
し、V_S＝500Vとしたときは、第７図ロの構成で
は送受波器１１に供給される電力はＰ＝500²／
50KΩ＝5Wであるが、第１図の構成によれば、
インピーダンスが255ΩなのでＰ＝5Wの電力を得
るための電圧は5W＝V²／255Ω、つまりＶ＝35V
となる。すなわち、本構成により、駆動電圧V_S
を1/14に低減できるのである。

一方、送信終了後はスイツチSW₁がオフでSW₂
がオンとなり、送受波器１１とインダクタンス１
１が並列に接続され、第７図ロの状態となる。送
受波器１１に発生された電圧は抵抗R₂とダイオ
ードD₁，D₂を介して受信回路１４に入力される。
この受信電圧は一般にダイオードの順方向の電圧
（0.6V程度）以下のため、送受波器１１で検出さ
れた電圧がそのまま受信回路１４に供給される。

第３図は本考案の他の実施例を示すブロツク図
である。スイツチSW₃とSW₄の直列回路、および
スイツチSW₅とSW₆の直列回路がいずれも電源Ｅ
に並列に接続され、スイツチSW₃とSW₄の接続点
Ａ、およびスイツチSW₅とSW₆の接続点Ｂの間に
インダクタンスＬと送受波器１１の直列回路が接
続されている。

ダイオードD₁とD₂が逆極性で並列接続された
並列回路と抵抗R₂とが直列に接続された直列回
路が、インダクタンスＬと送受波器１１の接続点
とスイツチSW₄とSW₅の接続点との間に接続され
ている。

ダイオードD₁，D₂の両端の電圧は受信回路１
４に入力されている。

また、スイツチSW₃〜SW₆はスイツチ駆動回路
１６からの制御信号S₃〜S₆により開閉される。

以上のごとく構成された第３図に示す実施例の
動作を第４図に示す波形図を用いて説明する。

駆動電圧を送出するときは、第４図イ〜ハに示
すようにスイツチSW₃とSW₅、スイツチSW₄と
SW₆が同位相で交互にオン／オフを繰り返す。ス
イツチSW₃とSW₅、スイツチSW₄とSW₆のオン／
オフの周期は送受波器１１の共振周波数に等しい
かそれに近い周期でスイツチ駆動回路１６からの
駆動信号S₃，S₅，S₄、およびS₆により駆動され
る。

このため、Ａ−Ｂ間には＋Ｅ、−Ｅの電圧が交
互に加わり、等価的に±Ｅの交流の矩形波の電圧
V_ABが発生する（第４図ホ）ことになり、結局こ
れは電源電圧Ｅの２倍の電圧が送受波器１１に印
加されることとなる。

一方、反射パルスを受信するときは、スイツチ
SW₄とSW₅がオンとなり、スイツチSW₃とSW₆が
オフとなる。したがつて、インダクタンス１２と
送受波器１１とは並列に接続され第８図ロの状態
となり受信効率が改善される。このため、電源Ｅ
は高い電圧を必要としないので、スイツチSW₃〜
SW₆はアナログスイツチにより構成することがで
き、駆動回路が簡略にできる。

第５図はスイツチ素子としてトランジスタを用
いた場合の本考案の更に他の実施例を示すブロツ
ク図である。第６図は第５図に示す実施例の各部
の波形を示す波形図である。

単安定マルチ（ワンシヨツトマルマルチバイブ
レータ）１７には一定周期毎にスタートパルスS_T
（第６図イ）が印加され、その立上りに同期して
単安定マルチ１７の出力端Ｑから一定幅のパルス
P₁（第６図ロ）が発振器１８のリセツト端子Ｒに
印加される。パルスP₁が印加されることにより、
発振器１８はそのリセツトが解除されて発信を開
始しパルスP₁がハイレベルＨの間デユテイサイ
クル50％のパルスP₂（第６図ハ）を発信する。こ
のパルスP₂は送受波器１１の共振周波数に等し
く設定される。パルスP₂はインバータ１９によ
り反転され第６図ニに示すパルスP₃が作られる。

ナンドゲート２０はパルスP₁とパルスP₂が入
力されそれらのNANDをとつてパルスP₄（第６図
ホ）として出力する。また，ナンドゲート２１は
パルスP₁とパルスP₃が入力されそれらのNAND
をとつてパルスP₅（第６図ヘ）として出力する。
パルスP₄とP₅は第６図から判るように送信区間
では逆位相であり受信区間では同位相となる。

パルスP₄は第３図のスイツチSW₃とSW₄に対
応するトランジスタ２２と２３を駆動し、パルス
P₅は第３図のスイツチSW₅とSW₆に対応するト
ランジスタ３４と２５を駆動する。

したがつて、送信区間ではトランジスタ２２
と、２５、およびトランジスタ２３と２４とが同
位相でオン／オフされる。受信区間ではパルス
P₄，P₅は共にハイレベルＨで同位相となり、ト
ランジスタ２３と２５がオンとなりトランジスタ
２２と２４がオフとなり第３図における動作と同
一になる。なお、スイツチSW₃〜SW₆はFET、
サイリスタなどのスイツチ素子でもよい。また、
第５図では単安定マルチ１７のＱ出力が発振器１
８のリセツト端子Ｒに接続されているが、リセツ
ト端子Ｒは常に解除状態Ｈとして常にパルスP₂
を発信する構成でもよい。

＜考案の効果＞ 以上、実施例と共に具体的に説明したように本
考案によれば、超音波の送信／受信のときに送受
波器のインピーダンスマツチング用のインダクタ
ンスを直−並列に接続切替を行うため、送信時／
受信時の効率を最大にすることができる。また、
送受信の効率を向上させることにより、駆動回路
側の電圧を小さくすることができ、その結果駆動
回路の構成が簡単になる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本考案の原理を示すブロツク図、第２
図は第１図の各部の波形を示す波形図、第３図は
本考案の他の実施例を示すブロツク図、第４図は
第３図の各部の波形を示す波形図、第５図はスイ
ツチ素子としてトランジスタを用いた場合の本考
案の更に他の実施例を示すブロツク図、第６図は
第５図に示す実施例の各部の波形を示す波形図、
第７図は従来の送信側の問題点を説明する等価回
路図、第８図は従来の受信側の問題点を説明する
等価回路図である。 １０……駆動回路、１１……送受波器、１４…
…受信回路、１５，１６……スイツチ駆動回路、
１７……単安定マルチ、１８……発振器、２２〜
２５……トランジスタ。

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 測定面に超音波パルスを送出し前記測定面から
   反射する反射パルスを受信する送受波器と、この
   送受波器に駆動電圧を供給する駆動回路と、前記
   送受波器に並列に接続されこの送受波器で受けた
   前記反射パルスに対応した受信信号を受信する受
   信回路と、前記駆動回路と前記送受波器との間に
   第１スイツチを介して直列に接続されたインダク
   タンスと、前記インダクタンスと前記送受波器の
   直列回路に並列に挿入された第２スイツチと、前
   記送受波器から超音波パルスを送出する際には前
   記第１スイツチをオン前記第２スイツチをオフと
   し前記受信信号を受信する際には前記第１スイツ
   チをオフ前記第２スイツチをオンとするスイツチ
   駆動回路を具備することを特徴とする超音波測距
   装置。